Laboratorinis darbas KE – 1

He - Ne lazerio tyrimas

Darbo užduotys

1. Nustatyti TEM00 modos poliarizacijos laipsnį ir nubrėžti jos diagramą.

2. Ištirti pluošto erdvinį koherentiškumą.

3. Išmatuoti skersinės TEM00 modos skėsties kampą

Kontroliniai klausimai

1. Lygmenų sužadinimas dujiniuose lazeriuose.

2. Kokiu būdu He-Ne lazeryje sukuriama lygmenų apgrąža.

3. Kas yra rezonatoriaus modos. Koks gretimų modų dažnių skirtumas.

4. Kaip atrenkamos skersinės ir išilginės modos.

5. Kaip gaunama poliarizuota lazerio spinduliuotė.

6. Kaip formuojamos lazerio spinduliuotės spektrinės charakteristikos.

7. Lazerinio spinduliavimo galios matavimo būdai.

8. Erdvinis ir laikinis koherentiškumas.

METODINIAI PAAIŠKINIMAI

Tyrimai atliekami surenkant kiekvienai užduočiai optinę grandinę pagal pateikiamas schemas.

Dėmesio! Prieš pradedant darbą, būtina susipažinti su naudojamų prietaisų aprašais ir saugaus

darbo ypatumais.

Naudojami prietaisai:

1. He-Ne lazeris.

2. Energijos (galios) matuoklis.

3. Poliarizatorius.

4. CCD kamera.

5. Optiniai elementai (lęšiai, veidrodžiai, filtrai).

6. Ekranas su skylutėmis.

Pc-link.lnk

Galios matuoklis (Fotodiodinis PH100-Si sensorius) (Naudojimosi programine įranga metodiniai nurodymai)

Galios matuoklio parengimas darbui

Galios matuoklio detektorius (1) sujungiamas su USB interfeisu P-LINK (2), kuris su PC (3)

prijungiamas USB prievadu.

Darbas su programine įranga

Programa atveriama dviem būdais:

1) Darbalaukyje dukart pele paspaudus piktogramą ;

arba

2) „Start > Programs > Gentec-EO > PC-link“

Atvėrus programą atsidaro pagrindinis langas, kuriame yra: eilutė nuskanti programos pavadinimą,

naudotojo meniu, instrumentų bei matuoklio valdymo panelė ir darbinė ekrano dalis (skaičius bei

matavimo vienetas).

Papildomų langų atvėrimas, matuoklio darbo režimo valdymas, įvairios operacijos su

duomenimis, jų išsaugojimas galimas išsirenkant atitinkamas komandas iš programos meniu arba pele

spaudžiant atitinkamas piktogramas.

Programa susijungia su USB interfeisu sekančiai iš vartotojo meniu: „Ctrl > Communication >

Connect...“

Programa automatiškai pasiūlo USB prievadą COM1 arba COM2 arba... COM8. Spaudžiame

OK. Darbiniame lauke vietoje buvusio užrašo „No Detector“ atsiranda „PH100-Si“.

Toliau iš meniu pasirinkdami „Settings > Wavelength > Custom“ nustatome matuojamos

spinduliuotės bangos ilgį 633nm.

Toliau, uždengę lazerio spinduliuotę arba detektorių, iš meniu pasirinkdami

„Ctrl > Zero Offset“ arba pele paspaudę piktogramą nustatome matavimo „nulį“. Nulio

nustatymas gali užtrukti apie 20 s. Galios matuoklis paruoštas darbui.

Matuojamos spinduliuotės galios stabilumą laikui bėgant galime stebėti papildomame

histogramos grafiniame lange pasirinkę iš meniu „Display –> Histogram“ arba pele paspaudę

piktogramą.

Matuojant lazerio spinduliuotės galią papildomai (patogumo dėlei) galime atverti papildomą

analoginį (rodiklinį) grafinį langą pasirinkę iš meniu „Display –> Tuning Needle“ arba pele paspaudę

piktogramą.

Programą užveriame paspausdami .

CCD kamera (Chameleon CMLN-13S2M) (Naudojimosi programine įranga metodiniai nurodymai)

Programos atvėrimas Programa atveriama darbalaukyje dukart pele paspaudus ikoną .

Atvėrus programą atsidaro Valdymo langas (dešinėje) ir 2D skirstinio atvaizdavimo langas (kairėje).

Valdymo langas

Nepertraukiamas kadrų registravimas atliekamas pele paspaudžiant viršutinėje eilutėje esantį

mygtuką MATUOTI . Registravimas stabdomas spaudžiant tą patį mygtuką. Kadro registravimo laikas

nustatomas keičiant Išlaikymas(ms). Pakeitus išlaikymo vertę įvedant laukelyje skaičių reikia

paspausti Enter.

Norint suvidurkinti kelis kadrus reikia pakeisti Vidurkinimas vertę į didesnę nei 1 (ne daugiau

10). Pakeitus vidurkinimo vertę įvedant laukelyje skaičių reikia paspausti Enter.

Kameros nuskaitymų kadrų dažnis nustatomas pasirenkant vieną iš Kadr ų dažnis(kps) verčių.

Kuo mažesnis kadrų dažnis tuo galimas ilgesnis išlaikymo laikas.

Visą išmatuotą 2D skirstinį galima išsaugoti paspaudus Valdymo lange esantį mygtuką

„Saugoti matricą“. Byloje išsaugomas matricos dydis, matricos elemento dydis mikrometrais ir 2D

skirstinys tekstiniu formatu.

Skirstinio horizontalų ir vertikalų pjūvius galima išsaugoti paspaudus mygtuką „Saugoti

pjūvius“. Byloje išsaugomas matricos dydis, matricos elemento dydis, eilutė ir stulpelis (numeracija

pradedama nuo 1), bei pjūvių skirstiniai tekstiniu formatu.

Foninis signalas registruojamas spaudžiant mygtukus MATUOTI , matuojant uždengus lazerinį

šaltinį. Užregistruotas skirstinys išsaugomas paspaudus mygtuką Saugoti foną. Norint atimti iš

užregistruoto signalo foninį skirtinį reikia paspausti mygtuką Atimti fon ą. Registruojamo intensyvumo

skirstinio ir atimamo fono išlaikymo laikai ir vidurkiniams turėtų būti vienodi.

Apatinėje Valdymo lango dalyje yra pateikiama kameros temperatūra ir informacijos langas,

kuriama pateikiama informacija apie naudojamą kamerą ir klaidas.

Dešiniuoju pelės mygtuku spustelėję Valdymo lange atsivėrusioje meniu galima pasirinkti kalbą

ir Valdymo lango bei 2D skirstinio atvaizdavimo lango priderinimą prie ekrano.

2D skirstinio atvaizdavimo langas

„2D Vaizdas“ lange yra atvaizduojamas kameros kadro 2D skirstinys. Apatinėje ir dešinėje

skirstinio atvaizdavimo lange išdėstyta horizontalus ir vertikalus skirstinio pjūviai žymens vietoje, kuri

pasirenkama norimoje vietoje paspaudus pelės kairįjį mygtuką.

Žymens padėtį galima keisti ir spaudžiant klaviatūros rodyklių

mygtukus. Žymens padėties koordinatės mikrometrais (kameros

matricos taškais), intensyvumas ir didinimas nurodyti apatinėje

lango dalyje. Matomos dalies didinimas/mažinimas atliekamas pelės

ratuku arba kompiuterio lietimo panelėje dviem pirštais slenkant aukštyn/žemyn arba kompiuterio

klaviatūroje spaudžiant Page Up/Page Down.

Dešiniuoju pelės mygtuku spustelėję „2D Vaizdas“ lange atsivėrusioje meniu galima pasirinkti

Didinti ar Mažinti matomą skirstinio dalį, kurie pjūviai bus atvaizduojami šiame lange, bei atverti

„Pjūviai“ langą, kuriame bus atvaizduojami pjūviai. Taip pat galima pasirinkti vieną iš keturių

atvaizdavimo spalvinių palečių.

Pjūvių atvaizdavimo langas

„Pjūviai“ lange yra atvaizduojama 2D intensyvumo skirstinio X ir Y pjūviai. Žymens vietą

pasirenkama norimoje vietoje paspaudus pelės kairįjį mygtuką arba vieta keičiama spaudžiant

atitinkamai klaviatūros rodyklių klavišus Dešinėn arba Kair ėn. Žymens padėties koordinatės

mikrometrais ir intensyvumai žymens vietoje nurodyti lango apatinėje dalyje.

Dešiniuoju pelės mygtuku spustelėję „Pjūviai“ lange atsivėrusioje meniu galima pasirinkti

kurie pjūviai būtų atvaizduojami pasirenkant Pjūviai viena iš X ar Y arba abu. Paspaudus atsivėrusioje

meniu Auto Y ašis intensyvumo skalės ribos pritaikomos prie minimalios ir maksimalios pjūvių

verčių. Paspaudus Skalė atsiveria papildomas langas, kuriame galima nurodyti intensyvumo ir padėties

skalės ribas. Pasirinkus Maksimumai randama pjūvių intensyvumų maksimumų padėtys ir vertės,

kurios atvaizduojamos viršutiniame kairiajame lango krašte. Pažymėjus 1/2 arba 1/e^2 meniu Pločiai,

programa apskaičiuoja pluošto pločius 1/2 (50%) ir/arba 1/e2 (13,5%) aukščiuose maksimalios

intensyvumo pjūvio vertės atžvilgiu (Imax/2 ir/arba Imax/e2 aukštyje). Jeigu yra keletas pikų,

apskaičiuojama tik didžiausio piko plotis). Intensyvumų maksimumų padėtys ir vertės, pločiai

atvaizduojami viršutiniame kairiajame lango krašte. Taip pat meniu galima pasirinkti Linijos stor į ir

Šrifto dydį.

1. Nustatyti TEM 00 modos poliarizacijos laipsnį ir nubr ėžti jos diagramą.

Atliekant poliarizacinius matavimus prieš galios matuoklį statomas poliarizatorius (1 pav.). Iš pradžių,

uždengus spinduliavimą patenkantį į matuoklį, nustatomas jo nulis. Po to sukant poliarizatorių kas 10°

(vienos padalos vertė yra 2°) išmatuojama spinduliuotės galia. Polinėje koordinačių sistemoje

nubrėžiama poliarizacijos indikatrisė.

1 pav. Poliarizacijos laipsnio matavimas. Lazeris – He-Ne lazeris, P - poliarizatorius, GM - galios

matuoklis

Sukant poliarizatorių kas 2° tiksliau išmatuojama minimali (Pmin) ir maksimali (Pmax) praėjusios

per poliarizatorių spinduliuotės galią. Iš šių matavimų randamas poliarizacijos laipsnis Kp išreiškiamas

per Pmin ir Pmax sekančiai:

K p=Pmax− P min

Pmax+Pmin. (1)

Praėjusios poliarizatorių spinduliuotės polarizaciją atitinka 0°. Randame, kurioje plokštumoje iškrovos

vamzdžio langai orientuoti Briusterio kampu.

2. Erdvinio koherentiškumo matavimas

Erdvinis koherentiškumas matuojamas stebint dviejų šviesos pluoštelių, išskirtų iš tiriamo

lazerio pluošto, interferenciją. Šiuose matavimuose naudojama schema pateikta 2 pav. Kadangi

pradinis lazerio pluošto skersmuo yra tik apie 1 mm ir sunku tokiame mastelyje padaryti mažas skylutes

ir dar kintamu atstumu, todėl šiuos matavimus atliekame išplėtę pluoštą didinančiu teleskopu. Už

teleskopo statome 50 cm lęšį, o už jo 2 – 4 cm atstumu ekraną su skylučių poromis. Pluoštelių

išskyrimui naudojamas ekranas su 10 poromis skylučių. Siekiant ištirti erdvinį koherentiškumą išilgai

viso lazerinio pluošto atstumas tarp vienos poros (pora laikomos skylutės esančios vienoje

horizontalioje tiesėje) skylučių centrų keičiasi atitinkamai nuo 2 iki 12 mm.

2 pav. Erdvinio koherentiškumo matavimo schema: L – He-Ne lazeris, P – poliarizatorius (siekiant

išvengti CCD kameros soties), T – teleskopas, L – lęšis, ES – ekranas su skylutėmis, EP – ekranas su

plyšiu, CCD – CCD kamera

Kad į CCD kamerą toliau patektų šviesos pluošteliai, praėję tik per vieną skylučių porą, už

ekrano su skylutėmis patalpinamas ekranas su išpjova. Interferencinis vaizdas susidarantis

interferuojant dviem pluošteliams stebimas lęšio židinyje CCD kamera.

3 pav. Dviejų pluoštelių interferencinis vaizdas

Erdvinį koherentiškumą nustatome iš interferencinių juostų kontrastingumo. Tuo tikslu

matuojame interferencinių juostų maksimumų Imax ir minimumų Imin vertes (3 pav.). Juostų matomumą

apskaičiuojame iš formulės:

)r,γ(r(g)I+(g)I

(g)(g)II=

I+I

II=ν(g) 2

2min

,02 11

21

max

minmax −, (2)

čia I1(g) ir I2(g) šviesos pluoštelių, atitinkamai praėjusių pirmąją ir antrąją skylutę, intensyvumai taške

g (t.y. CCD kameros plokštumoje). r1 ir r2 šiuo atveju žymi ekrano skylučių padėtį lazerio pluošte.

Stebėdami interferencinio vaizdo kontrastingumą esant įvairiems atstumams tarp skylučių (tai

yra esant skylutėms įvairiose lazerio pluošto padėtyse (r1 ...rn) išmatuojame interferencinių juostų

kontrastingumą ir randame koeficientą γ (r1,r2,0) charakterizuojantį erdvinį pluošto koherentiškumą.

Šiuo atveju skaitome, kad laikinis užlaikymas tarp interferuojančių pluoštelių lygus nuliui, nes stebime

interferencinį vaizdą, sukuriamą pluoštų, praėjusį lęšį. Šiuose matavimuose stengiamės ekrano skylutes

patalpinti pluošto padėtyse esančiose simetriškai pluošto centro atžvilgiu, kad praėjusių pluoštelių

intensyvumai I1(g), I2(g) būtų lygūs. Tada koeficientas γ(r1,r2,0) yra tiesiog lygus:

γ ( r1 ,r2 ,0)=I max− Imin

I max+I min. (3)

Intensyvumus I1(g) ir I2(g) CCD kameroje (tašku g paprastai pasirenkame tašką, kuriame

interferencinės juostos yra intensyviosios) išmatuojame uždengdami iš pradžių vieną, po to kitą

skylutę. Jei intensyvumai I1(g) ir I2(g) nevienodi koeficientą γ (r1,r2,0) randame iš formulės:

(g)(g)II

(g)I+(g)I

I+I

II=)r,γ(r 2

min2

21

1

max

minmax1

2,0

−. (4)

Iš matavimų brėžiame kreivės γ (r1,r2,0) priklausomybę nuo atstumo (r2 – r1).

Raskite atstumą tarp interferencinių juostų Λ. Eksperimentines reikšmes palyginti su teorinėmis

gautomis iš formulės:

Λ=λ0

2sinQ , (5)

čia λ0 - bangos ilgis, Q - kampas tarp interferuojančių bangų. Kampą Q randame iš išraiškos:

l

rrarctg=Q

22 12 −

, (6)

čia l - atstumas nuo ekrano su skylutėmis iki CCD kameros.

3. Skersinės TEM00 modos skėsties kampo matavimas

Matuoti siūloma dviem būdais, palyginant gautus rezultatus. (Matavimo metu lazerio pluošto

kelyje statomas ND3 filtrą) Pirmuoju būdu matuojamas pluošto skersmuo dviejuose taškuose atstumu z

ir z+∆z nuo kaustikos sąsmaukos plokštumos Ps (4 pav.). Skėsties kampas lygus:

z=Θ

∆− 12 2a2a

2 , (7)

čia 2a1 ir 2a2 - atitinkamai pluošto skersmuo taške z ir taške z+∆z.

4 pav. Skėsties kampo matavimo schema

Skersmuo 2a (I/e2 lygyje) matuojamas stebint erdvinį pasiskirstymą CCD kamera. Tikslesniam

2Θ kampo matavimui ∆z turi būti didesnis nei 50 cm.

Antruoju būdu matuojama šviesos pluošto sąsmaukos skersmuo glaudžiamojo lęšio židinyje (5 pav.).

Kad matavimai būtų tikslesni, reikia parinkti didesnio židinio nuotolio (f1 = 0,5 m) glaudžiantįjį lęšį

GL. Lęšis gali būti statomas ir toli nuo lazerio rezonatoriaus, tačiau tiksliausiai skėstis išmatuojama

tada, kai priekinis GL lęšio F židinys sutampa su kaustikos sąsmaukos Ps plokštuma rezonatoriuje, t.y.,

kai xs = 0, tada atvaizdo plokštuma sutampa su lęšio galiniu židiniu (���� 0) ir ∆ paklaida, parenkant

židinio plokštumą, neryškiai mažina matavimo tikslumą. Lazerio sąsmauka sutampa su išvadinio

plokščio veidrodžio padėtimi, todėl lęšį statome atstume fl nuo išvadinio veidrodžio. Šiuose

matavimuose keisdami CCD kameros vietą apie glaudžiamojo lęšio židinio plokštumą (± 5 cm)

randame mažiausią sufokusuoto pluošto skersmenį 2af ir apskaičiuojame skėsties kampą:

1

2a2Θ

f= f

. (8)

5 pav. Skėsties kampo matavimo schema

Palyginame eksperimentinius rezultatus su He–Ne lazerio gamintojų pateikta verte 2ΘG = 1,3 mrad.

Literat ūra

1.W. T.Silfvast, Laser fundamentals, (Cambridge University Press,Cambridge, 2004 ),

2. O.Svelto, Principles of lasers, 5th ed.(Springer,New York, 2010),

3. B.E.A.Saleh, M.C.Teich, Fundamentals of photonics, (J. Wiley, New York, 1991),

4. A.Yariv, Quantum electronic, 3rd ed. (J.Wiley, New York, 1988).

5. P.W.Milonni, J.H. Eberly, Laser physics (Wiley, Hoboken, 2010),

6. N.Hodgson, H.Weber, Laser resonators and beam propagation: fundamentals, advanced

concepts and applications, 2nd ed. (Springer, New York, 2005).